MEKANISK TAP

Merk at mekaniske tap inngår i kjølevannstapet.

!

Dette er altså feil bruk av begrepet termisk virkningsgrad.

!

Avgitt varme (fra røykgassen) = mottatt varme (vann/damp)

f(x)

Merk at vi her har utelatt bortført varme ved stråling, dette fordi denne varmemengden er ubetydelig i forhold til de øvrige energimengder, dvs. for praktisk bruk kan vi derfor sløyfe strålevarmen. Varmebalansen uttrykt matematisk blir da som følger:

⋅ c ⋅ Δt = (h − h ) = massestrøm røykgass (kg/s) c = røykgassens spesifikke varme (kJ/kgK)

= massestrøm damp (kg/s) Δt = røykgassens temperaturfall (K) h = dampens entalpi (kJ/kg) h = fødevannets entalpi (kJ/kg)

Dersom det dannes belegg på vann- eller røykgass siden, vil dette selvsagt påvirke overført varmemengde og temperaturendringer, men ifølge energiloven vil belegg på gass- eller dampsiden kun føre til at medienes temperatur blir endret. Belegg på røykgass siden vil eksempelvis føre til at røykgass temperaturen ut øker og at avgitt varme fra røykgassen minker, dvs. overført varme til vann/damp også minker og produsert dampmengde minker tilsvarende mye.

Ved praktisk tilstandskontroll av røykgasskjelen bruker vi røykgassens trykk inn på kjelen (etter turbolader turbinen) som grunnlag, idet eksostrykket inn på kjelen gir et mål på trykkfallet gjennom kjelen, fra receiver- trykket til atmosfæretrykket.

Økt eksostrykk etter turbolader turbinen indikerer altså økt strømningsmotstand gjennom kjelen, som igjen indikerer belegg på røykgass-siden i kjelen.

m ˙

RG RG RG

m ˙

D Damp vann

m ˙

RG

RG

m ˙

D RG Damp

vann

2.3 Luftgjennomgang og forbrenning

Innledning

Med forbrenning forstår vi vanligvis en oksidasjonsprosess, der oksygen forbinder seg kjemisk til et brennbart materiale, slik at kjemisk bundet energi blir frigjort.

Kjemisk energi skyldes elektriske krefter mellom elektronene og atomkjernene i molekylene.

Elektronene vil alltid prøve å innstille seg slik at deres potensielle energi er minst mulig. Når to molekyler kommer i nærheten av hverandre, kan elektronene innstille seg i nye baner med lavere energi og da avgis energi i form av stråling, som igjen kan gå over til varme. På denne måten blir energi frigjort i

forbrenningsprosesser og vanlige eksplosjoner.

2.3.1 Teoretisk luftforbruk

Våre vanligste brennstoffer består i hovedsak av grunnstoffene karbon (C), hydrogen (H) og svovel (S). Dersom temperaturen er høy nok, vil oksygenet i lufta forbinde seg kjemisk med grunnstoffene i brenselet. Slike kjemiske forbrenningsreaksjoner er svært komplekse, og blir ikke tatt med her.

Dersom vi forutsetter fullstendig forbrenning og bare ser på tilstanden før og etter forbrenningen, kan vi sette opp følgende forenklete reaksjonsligninger:

Karbon forbrenner i to etapper:

0,5 O + C → CO + varme 0,5 O + CO → CO + varme

Hydrogen forbrenner til vann:

O + 4H → 2H O + varme

Svovel forbrenner til svoveldioksid (evt. svoveltrioksid):

O + S → SO + varme

Teoretisk luftmengde (L/B) er definert ved antall kg luft som kreves for fullstendig forbrenning av 1 kg olje (under laboratorieforhold).

Ifølge kjemien er teoretisk luftmengde (L/B) bestemt av:

(L/B) =

I formelen er c, h, s og o masseandel av henholdsvis karbon (c), hydrogen (h), svovel (s) og oksygen (o) i brennoljen, men oksygen-andelen er normalt ubetydelig og blir som regel, sløyfet.

2

2 2

2 2

2 2

r

r

r

1, 293 ⋅

^22,4_0,21

(

₁₂^c

+

^h₄

+

₃₂^s

−

₃₂^o

)

^{kg luft}_{kg olje}

Eksempel - Teoretisk luftmengde (L/B)r

En brennolje har følgende massesammensetning: c = 0,857, h = 0,114 og s = 0,029.

Dette gir teoretisk luftmengde (L/B) :

(L/B) = = 13,9 kg/kg

Det kreves altså 13,9 kg luft for å forbrenne 1 kg av denne oljen.

Dissosiasjon

Reaksjonsligningen for forbrenning av karbonmonoksid kan vi skrive slik:

0,5 O + CO → CO + varme

Denne reaksjonen som går mot høyre, betegner vi endotermisk (temperaturen øker) og utgjør det vi til vanlig forstår med en forbrenning.

Reaksjonen kan imidlertid under bestemte forhold også gå mot venstre, vi har da en såkalt eksotermisk reaksjon som vi betegner dissosiasjon og som innebærer at det «tas» energi fra forbrenningsproduktene, noe som fører til at forbrenningstemperaturen blir lavere enn den ellers ville blitt.

For reaksjonen mellom H og O gjelder de samme forhold. Også luftas bestanddeler dissosierer ved høy temperatur etter følgende ligninger:

2 H + O ↔ 2 H O 2 H ↔ H

2 N ↔ N

Lavt trykk og høy temperatur fremmer dissosiasjon, men omfanget har først praktisk betydning ved temperaturer over ca. 1500°C.

For drift av dieselmotorer er det særlig dannelsen av NO – forbindelser som har interesse, idet det er fastsatt internasjonale minstekrav for slike utslipp. (Se avsnitt; Utslipp til luft).

2.3.2 Luftgjennomgang og luftfaktorer

Luftgjennomgangen i motorer blir gjerne oppgitt som spesifikk luftgjennomgang i kg/kWh, kg/MJ eller i form av såkalte luftfaktorer.

Vi skiller mellom total luftfaktor (λ), også kalt luftfaktor henregnet til luftforbruk, og luftfaktor henregnet til forbrenning med symbol (λ ). Begge faktorer gir et mål på luftgjennomgangen i forhold til teoretisk nødvendig luftmengde for forbrenning av 1 kg brennstoff.

Total luftfaktor (λ)λ er definert ved:

λ =

(L/B) = total luftmengde i kg per kg brennstoff (kg/kg).

(L/B) = teoretisk luftmengde i kg per kg brennstoff (≈14 kg/kg for tungolje).

r

r

1, 293

^22,4_0,21

(

^0,857₁₂

+

^0,114₄

+

^0,029₃₂

)

2 2

2 2

2 2 2

2 2

x

f

(L/B) (L/B)r

r

Total luftfaktor (λ) gir altså et mål på total luftstrøm gjennom motoren. For dieselmotorer varierer (λ) typisk mellom ca. 2,5 og 3,5. Motorfabrikantene oppgir som regel (λ) sammen med øvrige data fra prøvestandskjøring av sine motorer.

Typisk luftforbruk i 2- og 4-takts motorer

Gassvekslingen i en 4-takts motor blir som kjent, gjennomført i løpet av en hel omdreining, der stempelet bidrar til å «skyve» ut restgasser.

En 4-takts motor har dessuten ett "hvileslag" (uten forbrenning), noe som gir enklere og som regel bedre renspyling av sylinderen.

I en 2-takts motor skjer gassvekslingen i løpet omkring 130 grader veivvinkel og gassen må dessuten "skyves"

ut ved hjelp av spyletrykket.

Typiske verdier for luftfaktorer og spesifikk luftgjennomgang er:

2-takt: λ = 2,5 - 3,5 som tilsvarer: (L/B) = 35 - 49 kg luft per kg olje

l = 2,3 - 3 (kg/MJ) {= 8,3 - 11 (kg/kWh)}

4-takt: λ = 2 - 3 som tilsvarer: (L/B) = 28 - 40 kg luft per kg olje

l = 2 - 2,5 (kg/MJ) {7,2 - 9 (kg/kWh)}

Fremgangsmåten for å beregne eller anslå størrelsen av (λ) vil variere med hvilke opplysninger vi har tilgang til.

Enklest blir regnestykket dersom spesifikt luftforbruk og spesifikt brennoljeforbruk er kjent, se etterfølgende eksempel.

Eksempel 1 – Beregning av luftfaktor λ

For en 2-taktsmotor er gitt:

Akseleffekt P = 9000 kW

Spesifikt luftforbruk l = 2,0 kg/MJ

Spesifikt brennstoff-forbruk b = 56,7 g/MJ

Teoretisk luftmengde (L/B) = 14 kg/kg

a) Bestem total luftgjennomgang i kg luft per kg olje og kg/s.

b) Bestem luftfaktor henregnet til luftforbruk (total luftfaktor).

a) Luftgjennomgang i kg per kg olje

(L/B) = = 35,3

Luftgjennomgang i kg/s

e

e

ANMERKNING!

Generelt bør luftgjennomgangen i en dieselmotor være så stor at vi oppnår tilfredsstillende renspyling og har mest mulig luftmasse «innestengt» i sylinderen når kompresjonen starter.

!

e e

e r

(kg/MJ)

=

le (kg/MJ) be

2 0,0567

kg luft kg olje

= P (MJ/s) ⋅ l (kg/MJ) = 9 ⋅ 2 = 18 kg/s

b) Total luftfaktor (λ)

λ = = = 2,52

Luftfaktor og avgassanalyse

Om bord kan vi bestemme luftgjennomgangen ved for eksempel å måle CO mengden i avgassen fra motoren.

For å beregne (λ) kan vi anvende følgende formel:

λ = + 0,21 (Se formelsamling)

Der v er teoretisk luftmengde i Nm luft per kg olje (1 Nm = 1 m v/760 mm Hg og 0°C), V er målt volumprosent CO i avgass og c er masseandel karbon i brennoljen.

Eksempel 2 – Beregning av (λ) ved målt CO2% i avgass

I avgassen fra en dieselmotor som brenner gassolje, er målt CO = 5,9 %. Oljens kjemiske massesammensetning er: 86,5 % C, 12,9 % H og 0,45 % S.

Vi forutsetter fullstendig forbrenning.

a) Bestem teoretisk luftmengde i Nm /kg.

b) Bestem total luftfaktor.

a) Teoretisk luftmengde (v ):

v =

v =

v = 11,14 (Nm /kg) b) Total luftfaktor (λ):

λ = + 0,21

λ = + 0,21

λ = 2,52

m ˙

_L e e

(L/B) (L/B )r

35,3(kg/kg) 14(kg/kg)

2

22,4 c(100− )

12 VCO2

VCO2vLr

Lr 3 3 3

CO2 2

2

3

Lr

Lr ^22,4_0,21

(

₁₂^c

+

^h₄

+

₃₂^s

−

₃₂^o

)

Lr ^22,4_0,21

(

^0,865₁₂

+

^0,129₄

+

^0,0045₃₂

)

Lr 3

22,4 c(100− )

12 VCO2

⋅ VCO2vLr 22,40,865(100−5,9)

12 5,9⋅11,14

2.4 Forbrenning og utslipp

2.4.1 Forbrenningsprosessen i dieselmotorer

Forbrenningsprosessen i dieselmotorer deler vi praktisk inn i fire faser:

A. Tennforsinkelse

B. Ukontrollert forbrenning C. Kontrollert forbrenning D. Etterbrann

1.) Innsprøyting starter 2.) Forbrenning starter A. Tennforsinkelse

Denne fasen er karakterisert ved at oljen må varmes opp, fordam​pe og få kontakt med oksygen før selvtenning kan komme i gang.

Avhengig av tenn-forsinkelsens lengde, vil fra 30 til 70 % av total brennoljemengde sprøytes inn under denne fasen.

MERK

Merk at dagens tungoljer ofte har dårlige tenn- egenskaper, noe som betyr stor tenn- forsinkelse, som igjen kan føre til skader på motorer.

!

B. Ukontrollert forbrenning

Når antenning først skjer (flere steder samtidig) oppstår en eksplosjonsartet forbrenning, som medfører rask trykkstigning. Dette fordi all oljen som er sprøytet inn i løpet av tennforsinkelsen normalt vil delta i

forbrenningen.

Dersom tennfor​sinkelsen blir for stor, kan denne eksplosjonsartede forbrenningen bli for voldsom, og føre til svært rask trykkstigning, som igjen innebærer fare for såkalt ringkollaps og gjennomslag, samt uheldige slagbelastninger på kryss-, veiv- og rammelager.

Ved for rask trykkstigning blir det nemlig for liten tid til å bygge opp gassputen bak ringene, slik at trykkraften mot ringens glideflate blir større enn egenspennkraften pluss gasskraft bak ringen. Ringen vil da bli slått inn i sporet, og vi får et ringkollaps, gasslekkasje og gjennomslag.

C. Kontrollert forbrenning

Denne fasen blir kalt kontrollert fordi vi i prinsippet kan kontrollere den ved å endre brennolje-pumpens innsprøytingskarakteristikk (bestemt av fabrikant). I denne fasen vil tilført brennolje forbrenne kontinuerlig.

D. Etterbrenning

Dette er forbrenning som fortsetter etter at dysenålen har lukket. Etterbrann er i prinsippet uønsket, men er vanskelig eller umulig å unngå, særlig ved drift på tungolje.

In document Last ned PDF - Marfag (sider 88-95)